透過設(shè)計(jì)實(shí)例揭秘FPGA電源的N個(gè)考慮事項(xiàng)

　　引言

　　FPGA是一種提供許多邏輯單元和其他功能（如收發(fā)器、PLL和用于復(fù)雜處理任務(wù)的MAC單元）的器件。FPGA現(xiàn)在變得非常強(qiáng)大，有效地為它們供電是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，這一點(diǎn)常常被低估。

　　本文分析了針對(duì)FPGA的電源要求，提供了關(guān)于如何將其放在PCB上和放在什么位置的指導(dǎo)，并通過一個(gè)設(shè)計(jì)示例讓讀者熟悉設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)當(dāng)中FPGA所在的系統(tǒng)由12 V總線供電，這是來自市電供電SMPS的主輸出。

　　功耗估算器和電壓要求

　　FPGA設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是確定所需電壓要求和每個(gè)電壓軌的電流要求。各大FPGA廠商都提供了綜合性計(jì)算器來幫助確定這些要求，考慮因素包括器件工作頻率、所用門電路數(shù)量以及門電路的切換率。例如，Altera提供了PowerPlay Early Power Estimator，Xilinx提供了XPower Analyzer。

　　表1包含Altera和Xilinx器件需要的一些典型電壓軌，分為三個(gè)核心電壓：I/O電壓、收發(fā)器電壓和輔助電壓。

　　POL和配電系統(tǒng)

　　核心電壓較低的FPGA需要高電流、高精度和最小紋波。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，去耦電容器的位置應(yīng)當(dāng)盡量鄰近FPGA，使去耦通路中的ESR和ESL最小。

　　另一種合適做法是將POL穩(wěn)壓器放在盡量鄰近器件的位置，但不影響FPGA的輸入和輸出路徑。更高的工作頻率和控制、驅(qū)動(dòng)器與MOSFET和集成度有助于實(shí)現(xiàn)緊湊的布局。小解決方案占位面積允許將穩(wěn)壓器放在FPGA的近旁，從而改善穩(wěn)壓器瞬態(tài)響應(yīng)。圖1提供了來自Vishay microBUCK產(chǎn)品的一種3 A穩(wěn)壓器示例。

　　圖1： 階躍響應(yīng)為SiP12107。VIN = 5 V，VOUT = 1.2，F(xiàn)sw = 2 MHz；20 kHz時(shí)條件下負(fù)載階躍 = 0 - 3 A；L = 330 nH，CIN = 22 μF，COUT = 22 μF；黃色 = VOUT，藍(lán)色 = 電流。

　　從圖中可以看出，在22 μF （0805） 最小輸入和輸出電容時(shí)，階躍響應(yīng)為37 mV Pk-Pk（負(fù)載還有一些電容）。

　　穩(wěn)壓器使用電流模式恒定導(dǎo)通時(shí)間 （CM-COT） 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且不需要通過外部紋波抑制來提供穩(wěn)定性。這可以幫助降低元件數(shù)量和提供優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)。

　　選擇合適的穩(wěn)壓器

　　在選擇穩(wěn)壓器時(shí)，首要選擇標(biāo)準(zhǔn)之一是所要求的輸入工作電壓。其次應(yīng)當(dāng)檢查電流要求。在最終備選器件名單確定后，再對(duì)一些特性進(jìn)行檢查，如工作頻率范圍、低電流模式省電量等，這樣設(shè)計(jì)人員就能確定最適合應(yīng)用的器件。

　　多家開關(guān)穩(wěn)壓器供應(yīng)商現(xiàn)在都提供在線仿真工具來輔助電源設(shè)計(jì)。例如，Vishay穩(wěn)壓器有PowerCAD在線仿真工具支持。在使用上述方法分析了可選器件之后，在線仿真工具可讓用戶快速完成設(shè)計(jì)（參見圖2的仿真電路原理圖）。這個(gè)步驟完成后，接著可以檢查工作波形，如啟動(dòng)、階躍響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)工作，以了解電流和電壓幅值。該仿真器的特性還包括高效率、所有元件損耗的細(xì)分類目以及BOM生成器。

　　圖2：Vishay PowerCAD軟件仿真電路原理圖

　　初始設(shè)計(jì)過程示例

　　我們以選擇時(shí)鐘速度為362 MHz的Cyclone IV EP4CGX75為例。

　　1.使用PowerPlay確定每個(gè)電源軌的電流要求。在此例中，我們只對(duì)輸出端具有最差情況負(fù)載時(shí)的FPGA供電進(jìn)行分析。表2列出了從早期估算器軟件得到的設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格。

　　表2：來自Altera PowerPlay的設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格

　　2.現(xiàn)在可以選擇器件。從表2可以看出，器件的核心電壓在電流為5 A時(shí)是1.2 V。另外還有來自這個(gè)電壓軌的另一個(gè)1 A要求，使得來自該電壓軌的總電流要求為6 A。實(shí)際上，其他兩個(gè)電壓也是這樣，并且導(dǎo)致圖3所示的電源架構(gòu)。

　　圖3：示例解決方案

　　3.運(yùn)行Vishay PowerCAD仿真器，得到表3中的結(jié)果。

　　這些仿真與最終設(shè)計(jì)在效率方面的差異不超過1%。雖然它們不能取代詳盡的設(shè)計(jì)過程，但有助于設(shè)計(jì)人員在費(fèi)時(shí)費(fèi)力完成硬件設(shè)計(jì)任務(wù)前快速了解可能得到的結(jié)果。

　　作者：Owain Bryant，Vishay Siliconix產(chǎn)品應(yīng)用工程師

　　——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)09月技術(shù)特刊《智能工業(yè)特刊》，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，違者必究！